Лазери заобикалят границата на свръхпроводимостта: Учените „хващат“ разпада на електронните двойки

Нов метод с ултракъси електрически импулси позволява да се измери кога точно се разрушават двойките на Купър, без резултатите да се замъгляват от квантови вихри.

Свръхпроводниците стоят зад технологии, които промениха индустрията и медицината. Те правят възможни левитиращи влакове, мощни ускорители на частици и магнитнорезонансна томография. Но имат слабост. Свръхпроводимото състояние е крехко и лесно се разрушава.

За да пренасят ток без съпротивление, повечето свръхпроводници трябва да се охлаждат до много ниски температури. Силни токове и външни магнитни полета също могат да ги „изключат“. Има и още една граница. Тя е фундаментална и е свързана с разпадането на двойките на Купър.

Двойките на Купър са квантово свързани електрони. Те са в основата на свръхпроводимостта. Проблемът е, че разпадането им се случва за милиардни части от секундата. Това прави явлението трудно за директно наблюдение с класически измервания при постоянен ток.

Експериментът, който изпреварва квантовите вихри

В изследване, публикувано в Nature Physics, международен екип представя метод, който заобикаля старите ограничения. Учените използват ултракъси електрически импулси. Те са толкова бързи, че „изпреварват“ движението на магнитните вихри.

Това е важно за свръхпроводниците от тип II. При тях магнитният поток прониква под формата на квантови вихри. Когато токът стане твърде силен, вихрите започват да се движат. Така се появява съпротивление, отделя се топлина и материалът може да загуби свръхпроводимост.

Точно този ефект често прикрива момента, в който двойките на Купър реално се разрушават. Новата стратегия е проста като идея. Токовият импулс минава през материала преди вихрите да повлияят на измерването.

Лазерни импулси от фемтосекунди, превърнати в ток

Системата стъпва върху ултрабързи зелени лазерни импулси с продължителност около 300 фемтосекунди. Фемтосекундата е една квадрилионна част от секундата. Лазерът задейства специален превключвател. Той преобразува светлинния сигнал в електрически импулс, който е от порядъка на пикосекунди.

Пикосекундата е една трилионна част от секундата. Това време е достатъчно за електрически измервания. То е и по-кратко от времето, в което вихрите започват да внасят значимо съпротивление. Така учените могат да видят по-чисто как се руши квантовото състояние.

Два материала, две различни „счупвания“ на свръхпроводимостта

Екипът сравнява два добре познати свръхпроводника. Първият е нитрид на ниобий (NbN). Вторият е YBCO от семейството итрий-барий-медни оксиди. YBCO е емблематичен за високотемпературната свръхпроводимост.

Ключовата разлика е в симетрията на енергийната празнина. При NbN тя е s-вълнова. При YBCO тя е d-вълнова. Това определя колко енергия е нужна, за да се разрушат двойките на Купър.

Резултатите показват ясно разграничение. При NbN свръхпроводимостта се запазва до отчетлив праг на тока. Прагът е по-висок от измерваното с постоянен ток. След него настъпва рязък срив и свръхпроводимостта изчезва.

При YBCO преходът не е внезапен. Свръхпроводимото състояние отслабва постепенно с нарастването на тока. Обяснението е в d-вълновата празнина. Тя зависи от посоката и в някои направления може да пада до нула. Така различни електронни състояния „се предават“ на различни етапи.

Какво променя това за науката и технологиите

Авторите посочват, че транспортните измервания в пикосекундни мащаби дават достъп до микроскопични свойства. Сред тях е и симетрията на енергийната празнина. При стандартните DC-измервания това често остава скрито.

Методът не означава, че вече има свръхпроводник при стайна температура. Не означава и неограничен пренос на ток без загуби. Пробивът е в измерването. Учените вече могат да „видят“ границата, която преди се губеше зад динамиката на вихрите.

Това знание може да помогне при проектиране на материали и системи за по-високи токове и по-силни магнитни полета. Приложенията са директни. Те засягат MRI, ускорители, високочувствителни сензори и част от квантовите технологии.

Технологията обещава и нещо по-голямо. Тя дава нов инструмент за разбиране на високотемпературната свръхпроводимост. Това остава една от големите нерешени задачи във физиката.

Още новини в категория Технологии

Последвайте ни в Telegram: https://t.me/p26news